二连盆地低阶煤储层物性特征及评价体系研究

李 玲 姚海鹏 李 正 李凤春 林海涛

(1.内蒙古自治区煤田地质局，内蒙古自治区呼和浩特市，010000； 2.内蒙古自治区非常规天然气工程技术研究中心，内蒙古自治区呼和浩特市，010000； 3.内蒙古煤勘非常规能源有限责任公司，内蒙古自治区呼和浩特市，010000)

二连盆地煤层气已成为低阶煤层气勘探开发的重点和热点区之一，但目前勘探开发程度较低，仅在吉尔嘎朗图凹陷取得突破。煤层气储层物性研究是煤层气勘探开发的重要组成部分，是煤层气的勘探选区、井位选择及设计、井网布置、完井方案的基础。很多学者根据关键参数对煤储层进行了定性或者定量研究，建立了孔隙系统模型或多层次模糊综合评价体系，但多数集中在高阶煤储层，尚未建立低阶煤储层评价体系。

煤储层物性研究是分析中低阶煤层气必不可少的部分，对后续煤层气的勘探开发至关重要。本次煤岩样品主要来自二连盆地霍林河、白音华和吉尔嘎朗图凹陷露天矿和钻井岩心。借助工业分析、低温液氮、压汞、显微裂隙、扫描电镜、核磁共振等实验室测试手段，分析煤储层的成煤植物、环境，纳米级、微米级、厘米级的孔隙结构、形态、成因以及孔渗特征等储层参数，建立二连盆地低阶煤储层物性评价体系，为本区煤层气有利层位优选和勘探开发提供地质依据。

1 二连盆地煤岩特征

1.1 岩石学特征

煤储层岩石学特征是煤层气生成及后期产能的重要影响因素。二连盆地煤样品镜质体反射率(Ro)在0.34%～0.54%之间，平均值为0.42%，属于褐煤、长焰煤，煤岩成熟度低，煤层产气能力较低。

二连盆地煤样品主要发育木质煤和碎屑煤，其他类型较少。显微组分以腐植组为主，惰质组和稳定组较少。腐植组含量在68.9%～98.8%之间，平均值为88.78%，惰质组含量在0.3%～29.7%之间，平均值为6.97%，稳定组含量在0.2%～13.1%之间，平均值为4.25%，煤中有机组分占96.2%～99.2%，平均值为97.62%，如表1所示。

表1 二连盆地煤显微组分定量分析结果表

1.2 煤相特征

煤相即煤原始成因类型，取决于成煤植物群落和泥潭的聚集方式、覆水条件等。煤相研究对恢复成煤的沉积环境、分析不同煤岩类型和煤中矿物质的分布规律及其成因具有重要意义。

本次研究主要采用凝胶化指数(GI)、植物保存指数(TPI)、植被指数(VI)、骨基比(F/M)、地下水指数(GWI)来分析煤相特征。

(1)GI-TPI煤相图。凝胶化指数(GI)、植物保存指数(TPI)是由Dissel(1986)提出的用来指示成煤条件的参数，是研究成煤沼泽类型主要参数，TPI>1表示成煤植物以木本为主，TPT<1表示成煤植物以草本植物为主，表示一种极端干燥的氧化或极端潮湿的成煤环境；GI值越大表示成煤环境越潮湿且沼泽覆水也较深，GI值越小反映成煤环境相对干燥且沼泽覆水浅。按照本次参数点落的位置，二连盆地发育4种沼泽类型：较深覆水森林沼泽、低位沼泽、较浅覆水森林沼泽及潮湿森林沼泽，如图1所示。

(2)GWI-VI图和GWI-F/M图。地下水流动指数(GWI)反映地下水对成煤泥炭沼泽的控制程度、矿物含量及水位变化，植被指数(VI)反映成煤植物及其保存程度，骨基比(F/M)反映水流活动性强弱。二连盆地GWI-VI图、GWI-F/M图见图2和图3。由图2和图3可知，二连盆地总体腾格尔组覆水较深，成煤植物以木本为主；赛汉塔拉组覆水较浅，局部地区或层系成煤植物以草本植物为主。成煤期水动力环境总体为滞留环境，局部地区成煤环境为径流环境。

图1 二连盆地GI-TPI煤相图

图2 二连盆地GWI-VI图版

图3 二连盆地GWI-F/M图版

2 不同尺度低阶煤储层孔隙结构及成因

2.1 纳米级孔隙结构分析

纳米级孔隙结构、形态研究主要通过低温液氮测试和压汞测试来分析，前者分析孔径小于20 nm的微孔、小孔分布，后者测定稍大的中孔和大孔的孔径分布、孔隙结构。

(1)低温液氮分析。低温液氮吸附法是判定孔隙结构、孔隙形态和研究细小微孔有效方法之一，通过观察吸附曲线和脱附曲线的重叠关系而得到的吸附回线，能够判定孔隙结构和孔隙形态类型，同时利用BET模型和BJH模型分别求出煤样孔隙比表面积及总孔体积。本次对二连盆地24个煤样进行低温液氮试验，获得3种吸附、脱附曲线类型，如图4所示。图中类型I为无回线型，曲线无回线或回线微弱，孔隙类型一端封闭的平行板状孔或圆柱孔、锥形或楔形孔；类型II具有明显滞后环型，孔隙类型为细瓶颈孔；类型III呈微弱滞后环型，其吸附—脱附曲线比类型I分离幅度大，同时吸附—脱附曲线存在微弱的滞后环，该类型曲线代表典型的“双峰”孔隙结构，即小孔和微孔含量均较高，该种煤样一般孔体积较大，而比表面积较小，同时两者的相关性差。

研究区不同煤岩类型煤样以小孔和微孔为主；小孔段和微孔段体积分别占总孔体积的69.93%和24.95%，小孔段和微孔段比表面积分别占总比表面积的39.07%和60.39%，如表2所示。

(2)压汞法测试分析。压汞测试结果显示煤岩样品排驱压力均为0.01 MPa，排驱压力小，表明渗流孔比例较大；孔喉半径均值为1.69～18.01 μm，平均为12.64 μm；最小非饱和孔隙体积为0.1%～84.7%，平均为37.31%，表明孔隙结构较复杂；退汞效率分布于9.6%～32.7%，平均为13.21%。

图4 二连盆地典型煤样低温液氮吸附等温线

样品编号煤岩类型总孔体积/ml·g-1各孔径段体积比/%中孔小孔微孔BET比表面积/m2·g-1各孔径段表面积比/%中孔小孔微孔平均孔径/nmJDE4(1)木质煤0.00606.3674.5119.131.28300.7440.7458.5218.72JDE4(2)木质煤0.00696.6174.8518.541.23450.7943.0956.1222.34JDE5(1)碎屑煤0.01434.1582.5813.273.18230.5449.6049.8717.97JDE5(2)碎屑煤0.01833.2979.7117.014.29600.4045.9353.6717.06JDE6(1)木质煤0.01145.6482.3512.012.96400.8150.9648.2315.40JDE6(2)木质煤0.01196.0982.9910.922.70460.8052.0347.1717.53JXY6-2(1)木质煤0.00695.7781.7212.511.26340.8760.2038.9321.83JXY6-2(2)木质煤0.01253.7080.9115.392.33290.5152.9546.5421.47J2-2(1)碎屑煤0.03473.0364.4632.529.25190.2631.6868.0714.99J2-2(2)碎屑煤0.04811.1566.3132.5414.67450.0927.6572.2613.12J2-3(1)碎屑煤0.07261.1070.2028.7020.98920.0934.4765.4413.84J2-3(2)碎屑煤0.02521.9056.2441.867.43100.1426.3873.4813.55J2-6(1)碎屑煤0.06350.9436.9262.1428.85650.0511.0488.918.81J2-6(2)碎屑煤0.041622.0145.2232.7620.82711.9120.2878.197.99

压汞曲线发育4类，如图5所示。类型I孔隙结构好，排驱压力小，孔喉半径均值大于12 μm，进汞饱和度高，在75%～95%之间，最小非饱和孔隙体积一般小于25%。这种类型曲线呈两段式或非典型三段式，孔隙连通性较好，该类孔隙对煤层气的富集和产出非常有利。类型II孔隙结构发育一般，排驱压力小，孔喉半径均值大于14 μm，累计进汞饱和度高，介于60%～70%，最小非饱和孔隙体积介于20%～40%。压汞曲线呈典型的三段式，表明微孔、小孔、中孔、大孔均发育，且中孔含量较高。退汞效率较高，孔隙连通性较好。类型III排驱压力小，孔喉半径均值最小为9 μm，累计进汞饱和度较低，介于30%～50%，最小非饱和孔隙体积较大，在40%～70%之间。压汞曲线呈两段式结构，表明中孔和大孔较发育，而小孔和微孔不发育。退汞效率较高，反映了孔隙结构不均匀，连通性较差。类型IV排驱压力大，孔喉道半径均值小于9 μm，累计进汞饱和度小于20%，最小非饱和孔隙体积大于70%，表明此类孔隙以大孔和微小孔为主，中孔不发育，孔隙结构复杂，排驱效率低，利于煤层气储集，不利于产出。

整体而言二连盆地煤岩主要发育I、II、III类孔隙类型，以大孔和中孔为主，孔隙连通性较好，如表3所示。

图5 二连盆地压汞曲线类型图

样号排驱压力Pd/MPa最小非饱和孔隙体积Smin/%最大连通孔喉半径Rd/μm孔喉半径均值Rm/μm曲线类型HZ3-1(1)0.0140.19.1216.56IIH2-30.0584.70.231.69IVH2-20.0184.00.188.22IVHZ1-1(1)0.0166.41.769.95IIIHB3-1(1)0.0147.45.7315.60IIIHB3-1(2)0.0147.34.6015.90IIIHY21(1)0.0156.41.2010.17IIIHB3(1)0.0123.011.914.40IHY21(2)0.0153.77.209.84IIIJDE4(1)0.0121.88.2016.75IIJDE50.011.014.7011.87IJDE6(1)0.010.113.6012.41IJXY6-2(1)0.010.112.4014.08IJXY6-2(2)0.013.015.4018.01I

2.2 微米级孔隙成因

扫描电镜是直观观察微米级孔隙成因类型、孔裂隙特征和矿物大小及形态的有利工具之一，为研究煤层气的生成、富集、保存提供更为详细的微观资料支持。

通过扫描电镜镜下观察发现，二连盆地煤储层主要发育植物组织孔、矿物粒间孔(粘土矿物、脆性矿物)、晶间孔、有机质(气)孔、溶蚀孔等类型。植物组织孔大小均一、排列有序，孔隙多被矿物质部分充填。气孔在镜质组中最发育，其大小不一、排列无序。外形多为浑圆状、管状，一般不被次生矿物充填。溶蚀孔由煤中可溶矿物质在地下水循环中形成。晶间孔是指原生矿物或次生矿物晶粒间的孔隙。粒间孔是成岩作用过程中煤物质颗粒压实脱水后仍保留下来的孔隙，这类孔隙褐煤中最多，孔径最大，形态各异、大小不等，如图6所示。

图6 扫描电镜下的孔隙特征

2.3 厘米级孔裂隙特征

通过镜下观测，二连盆地煤层中主要发育割理、剪性外生裂隙、张性外生裂隙、溶蚀裂隙等。煤储层主裂隙长度平均为0.26 cm，平均高度0.33 cm，平均宽度11.5 μm，平均密度16条/cm；次裂隙长度平均为0.16 cm，平均高度0.31 cm，平均宽度6.25 μm，平均密度7条/cm。裂隙参数显示煤层裂隙的发育极高和连通性中等，对煤层气的运移和开采比较有利，如表4所示。

3 孔渗性特征

二连盆地煤岩样品孔隙度在10.67%～38.46%之间，平均值为24.35%，主要集中在10%～25%之间。

煤储层孔隙度与煤的变质程度、矿物含量有关。研究区煤岩镜质体反射率(Ro)均小于0.45%，属于低阶煤中的褐煤。随着Ro的增高，孔隙度整体呈现降低的趋势。这是因为在低阶煤范围内，孔隙主要为原生大孔隙，含有大量的羟基和羧基官能团，孔隙度较大。随着Ro增高，煤中的原生大孔隙急剧减少，热变气孔逐渐增多，相对于微孔的增加，大孔的减少占绝对优势，因此低阶煤孔隙度随Ro的增大而降低。煤的灰分是煤中矿物质的衍生物，虽然不是煤中的固有组分，但在一定程度上反映矿物含量的高低。试验数据显示煤孔隙度与灰分含量呈负相关的关系，这主要是矿物质充填了部分孔隙而使孔隙度降低，如图7所示。

图7 孔隙度与镜质体反射率及灰分的关系图

研究区渗透率数据较少，根据吉尔嘎朗图凹陷煤层气井注入压降测试渗透率在0.1～4 mD之间，总体渗透率较低，这与孔隙以大孔和中孔为主相矛盾，推测为孔隙结构复杂，连通性差导致渗透率低。

4 孔隙分形维数分析

分形的重要特征是自相似性，定量描述这种具有自相似性研究对象的参数成为分形维数。本次研究采用FHH模型方法。根据分形几何理论，在三维欧氏空间内分形维数在2～3之间，越接近2说明孔隙表面越光滑，储层的储集性能越好；分形维数值越接近3，说明孔隙表面越不光滑，储层的储集性能越差；若大于3，说明该孔隙在该尺寸范围内不具有分形结构。岩样的分形维数反映了孔喉分布结构性，分形维数越大，其微观孔隙结构非均质性越强。

二连盆地煤岩分形维数主要分布在2.46～2.64，煤岩孔隙结构复杂程度中等，具有部分复杂孔隙结构，如图8所示。

图8 二连盆地煤样典型FHH曲线图

5 二连盆地低阶煤储层评价体系

在综合分析以上测试化验数据的基础上，建立了二连盆地低阶煤储层物性评价体系。由煤相特征和储层评价参数两大部分组成，前者包括成煤植物、水动力条件、组织孔保存条件和凝胶化指数，后者包括孔渗特征、孔径分布、孔隙填充、孔隙形态、排驱压力、孔喉半径均值、累计进汞饱和度、最小非饱和孔隙体积、分形维数。具体评价标准见表5。

表5 二连盆地低阶煤储层物性评价标准

二连盆地低阶煤储层根据煤相参数和储层参数分为I、II、III共3类储层，其中，I类储层成煤植物以木本植物为主，处于滞留水动力环境，组织孔保存较好(F/M>1)，凝胶化指数大于10，孔隙度大于15%，渗透率大于1 mD，小孔、中孔、大孔均发育，孔隙无充填，以开放孔为主，排驱压力小，孔喉半径均值大于12 μm，累计进汞饱和度大于60%，最小非饱和孔隙体积小于40%，分形维数小于2.5；II类储层在成煤植物、水动力条件、组织孔保存条件、孔渗特征、分形维数5个参数上与I类储层相似，其他参数低于I类储层，凝胶化指数大于5，以半开放小孔为主，孔隙有充填，排驱压力较小，孔喉半径均值大于9 μm，累计进汞饱和度20%～60%，最小非饱和孔隙体积40%～70%；低于I类、II类储层参数的均为III类煤储层。

本次建立的低阶煤储层物性评价标准是在大量试验测试数据的基础上，通过对比分析建立起来的，对于煤层气勘探开发程度低、储层物性数据较少的二连盆地具有较强的适用性和应用性。

6 结论

二连盆地煤岩样品以低阶煤中的褐煤、长焰煤为主，宏观煤岩类型主要为木质煤和碎屑煤。发育4种沼泽类型：较深覆水森林沼泽、低位沼泽、较浅覆水森林沼泽及潮湿森林沼泽，成煤期水动力环境总体为滞留环境，局部地区为径流环境。二连盆地发育纳米级、微米级、厘米级3种尺度孔裂隙，发育无回线型、明显滞后环型、微弱滞后环型3种孔隙形态，4种孔隙结构类型，大中孔为主，分形维数较高，孔隙结构较复杂，煤岩孔隙度较高，渗透率低。根据试验测试分析总结出13个评价参数，即成煤植物、水动力条件、组织孔保存条件、凝胶化指数、孔渗特征、孔径分布、孔隙充填、孔隙形态、排驱压力、孔喉半径均值、累计进汞饱和度、最小非饱和孔隙体积、分形维数，对于煤层气勘探开发程度低、储层物性数据较少的二连盆地具有较强的适用性和应用性。